0 引言

为了满足检测水质中含铜、铅、锌、镉等环境污染物的需要，降低铁料中高含量的铅、锌、钾、钠对高炉使用寿命的严重影响^[1]，2003年底，新余钢铁集团有限公司（简称新钢，下同）检测中心采购了一台YH-AA2053型原子吸收仪。原子吸收仪的投入使用，缩短了传统手工样品检测的流程，可有效减少钢材生产过程中有害元素对钢材质量、钢材力学性能及高炉设备使用寿命的影响。随着新钢生产规模的逐年扩大，钢产品研发过程中检测任务量逐年增加，因此，在要求缩短检测周期的同时，还要提高检测数据的准确性和及时性。在三期技术改革后，要求实现信息化、无纸化办公，质量鉴定单需自动打印，检测数据需实时上传。本文在对原子吸收仪结构和工作原理进行深入分析的基础上，设计了化学成分数据采集管理系统，对原子吸收仪光源系统、原子化器、检测系统、光路系统和气路系统进行剖析，分析了光路控制、气路控制系统电路设计原理。另外，设计了数据传输接口，基于软件工程方法设计出化学成分数据采集管理系统，并实现了数据采集、转换及传输功能。

1 系统总体方案

化学成分数据采集管理系统主要是由原子吸收仪、RS-232接口单片数据采集器（A/D转换、低噪声前置放大器、电模拟滤波器等）和PC机3部分构成，数据采集管理系统结构框架如图 1所示。

从原子吸收仪采集得到的信号，通过单片机数据采集器内部电路放大，由模数转换器转换后，BSC码变成ASC码，再通过RS-232接口进入PC机内。计算机利用BASIC语言代码处理、编程，通过原子吸收仪可视界面中的功能完成对数据的检测处理，测量结果通过原子吸收仪自带软件管理系统打印出来。

本系统设计的主要任务是根据用户需求确定研究方案、技术路线和功能需求。重点利用原子吸收仪的数据采集平台设计数据采集管理系统的总体方案，同时，制订出系统总体设计方案流程，系统总体设计流程如图 2所示。

2 原子吸收仪结构及工作原理 2.1 原子吸收仪结构

原子吸收仪硬件结构由5部分组成：光源系统、原子化系统、检测系统、分光系统、气路系统，原子吸收仪的基本结构如图 3所示。

2.1.1 光源系统

光源系统主要是用来提供被测元素的锐线光谱。在保证峰值大且稳定的同时，要求光源发射出比吸收线宽度更窄的锐线光谱，噪声小，使用寿命长；光源系统中主要发光元件是空心阴极灯，无极放电灯、蒸气放电灯及激光光源灯也能满足其基本使用要求^[2]。

2.1.2 原子化器

原子化器是用来完成样品测试的装置，被称为原子装置或原子系统。入射光束在此处被基态原子吸收，因此，原子化器相当于一个吸收池。测定样品中元素的原子主要方法有火焰原子化法和石墨炉原子化法^[3]。火焰原子化法是利用火焰热能使试验样品变成气体状态。原子化系统是一个关键设备装置，直接影响原子吸收光谱分析法的精确度和灵敏度，甚至起着决定性作用。

2.1.3 检测系统

检测系统主要是由放大器、光电元件、显示装置3部分组成。光电元件主要作用是将原子蒸气吸收和单色仪的光信号转换为电信号^[4]。原子吸收光谱仪的波长通常是190~900 nm，仪器测量短波长为195.3 nm，测量长波长为852.1 nm。放大器是将光电倍增管输出的电压信号放大后传入显示器，显示器装置通过放大器放大后的电信号经对数转换器转换成吸光度信号，通过微处理器显示^[5]。

2.1.4 光路系统

原子吸收仪光路系统包括外部光路系统和分光系统（又称单色器）两类^[6]。其中外部光路系统的作用是光发射的共振线通过测试液体雾化蒸汽准确投射到单色仪的入射狭缝。

2.1.5 气路系统

气路系统是将空气、乙炔等气路集成在一起，减少接头和气管，大幅提高气路系统的可靠性和安全性，操作时只需将火焰的燃气和主燃气流流量输入计算机，控制系统就会按指令完成复杂点火操作和流量调节^[7]。其中，气路控制系统又分为火焰原子化气路控制系统和石墨气路控制系统。

火焰气路主要有两种气体，乙炔焰和一氧化二氮-乙炔焰，气路设计主要考虑空气和一氧化二氮两者的切换。要使两种气体更安全地转换，必须通过电磁阀控制点火，由于电磁阀点火的先后设定不同，因而造成的压力不同。电磁阀的点火主要是通过乙炔气体喷出，通过对白金丝加热而产生火焰引燃，再由火焰原子化器混合后的空气-乙炔或一氧化二氮-乙炔的过程。火焰原子化气路控制系统见图 4。

石墨炉气路是采用氩气作为保护气体，压紧气是石墨管的压力来源；内气主要分两路，通过大、中、小及零流量的选择控制电磁阀的通断；外气主要是防止石墨的高温氧化，降低记忆效应，原子蒸汽不再被氧化，在分析过程中能够及时排泄烟雾^[2]。

2.2 工作原理

原子吸收分光光度法又称原子吸收光谱法^[8]。将分析的试样在酸性条件下转变为溶液，将溶液以雾状引入原子化器^[9]，目的是要将待测元素原子蒸气中的基态原子引入雾化器^[10]。当光的特征谱线与被测元素的吸收波长相同时，通过火焰燃烧将基态原子变成蒸气，这时原子吸收了光的能量，基态原子吸收光谱由检测器接收后再通过分光系统转换为电信号，由放大器放大，通过显示系统显示出吸光度光谱图。其中，原子基态减弱的程度与基态原子个数（元素浓度）的关系遵守朗伯-比尔定律^[11]：

其中，A为吸光度，L/（g·cm）；I₀为发射谱线强度，J/（cm³·s）；I为发射光谱通过原子化器后的强度，J/（cm³·s）；K为吸收系数；C为待测元素的浓度，mol/L；L为吸收光程长度，cm。

3 数据采集器设计 3.1 采集原理

采集到信号后由原有仪器的表头指示端引入，通过多路模拟4051开关选择进入比例放大器。放大后的信号通过TSC7135传输给高精度A/D转换器，以双积分的形式由模拟信号转换成数字信号，转换后以BCD码的形式将电压输出；将BCD码转换成ASC码，经过简单的电频转换形成RS-232标准串行通讯口技术形式，再以一定的波特率通过RS-232接口进入PC机内。

开启电源后，单片机系统启动监控程序，被测信号通过选择开关将信号比例放大到四位半A/D转换器，A/D转换器按一定工作周期对其转换。单片机具有不断采集数据的功能，为了以新代旧就需要将转换的信号放入RAM内。打开采样开关发出采集动作，刚存入的RAM数据变成ASC代码，以固定的波特率通过RS-232接口向微机逐位传送；传送完毕后，程序马上恢复到原始采样的状态。以单片机为核心组成具有RS-232接口的数据采集流程如图 5所示。

3.2 采集器设计

本系统采用的运算放大器是7650低漂移放大器，放大倍数有2档，一档用于发射，另一档用于吸收。放大的信号通过TSC7135传输给高精度A/D转换器，以双积分形式由模拟信号转换成数字信号。转换通常采用2种方法：①采用运算放大器、晶体管、光电隔离器等组成电路来实现转换；②采用专门的集成芯片来实现转换^[12]。转换后以BCD码的形式将电压输出。转换后电压可分2路：一路到显示单元，其显示范围为0~1.999 9 V；另一路通过单片机的I/O端口8243将BCD码转换成ASC码，通过电频转换简单处理后，形成RS-232标准通用串行通讯口技术规范形式，以一定的波特率通过RS-232接口进入PC机内，采集器硬件结构如图 6所示。

4 系统软件设计

通过对原子吸收仪数据采集原理的分析，以Visual C#为开发语言，采用Access和SQLserver后台数据库，设计制作了数据采集管理软件。

4.1 化学成分检测流程

软件主要工作方式是在原子吸收仪每批试样检测完成后，将数据定期保存在原子吸收仪的数据存储缓存中，通过数据接口通信将原子吸收仪缓存中的数据日志文件解析出相应数据代码，再将这些数据代码排列组合转换成对应的数据字段，将数据字段制作成数据表。利用数据采集管理系统将检测结果接收，接收后通过软件管理界面对化学成分数据进行管理操作。由于检测结果在原子吸收仪的格式与数据采集软件的格式不同，因此，采用了一个数据接收器将数据格式处理后转到数据采集软件中，数据传送到软件是txt格式，通过软件将txt格式数据转换成Access数据库格式，检测流程如图 7所示。

在系统界面输入每天检测样品编号及样品名称，为了防止样品名称和编号重复，系统后台设置了自动匹配功能，删除重复信息。在界面中完成数据获取，系统将原子吸收仪采集的检测数据与数据采集管理软件界面中录入的样品名称及编号对应匹配，匹配正确就直接写入后台数据库；如不匹配，系统会跳出错误提示信息，提示操作人员无法继续完成后序工作。检测数据接收后，对检测数据通过修约手段处理，再进行数据判断审核，合格后直接打印报告及数据上传，不合格按异常数据处理或重新取样检测。

4.2 系统功能模块

软件开发包括3个功能模块：数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块。数据采集主要包括数据存储、数据解析两个过程。原子吸收仪在每批试样检测完成后，将数据保存在原子吸收仪的数据存储缓存中，数据处理通过数据采集接口将原子吸收仪缓存中的数据日志文件解析出对应的数据代码，再将这些数据代码排列组合后转换成有效数据字段。数据输出利用数据传输管理软件将接收的数据检测根据标准进行审核判断，成分数据合格后形成报告单打印，不合格需重新取样进行检测。

4.2.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括数据存储、数据解析两个过程。数据存储是实现从原子吸收仪的硬盘中读取A/D板采集形成的数据文件，并在显示器上将谱图显示出来，处理后的数据则存入硬盘指定的目录中。数据解析实现将原子吸收仪的数据存储硬盘中，数据文件通过原子吸收仪数据分析日志进行统计、分析，提取有用信息形成数据有效文件，将有效信息通过原子吸收仪的数据日志规则识别分析形成txt格式文件，然后将存储的txt文件转换成Access数据库文件，原子吸收仪检测值存储界面如图 8所示。

4.2.2 数据处理模块

数据处理模块硬件主要由3部分组成：原子吸收仪、PC计算机及多通道A/D转换器。其中，软件数据处理模块是根据原子吸收仪数据处理原理及计算方法进行模块设计^[13]。系统软件向原子吸收仪控制系统发出数据采集信号，原子吸收仪收到采集信号后，向原子吸收仪发出调用命令，将缓存中解析后的txt数据文件通过数据接口传输到开发软件后台，转换成Access数据库文件，在程序界面中点击“更新”按钮，就会将原子吸收仪缓存中的检测数据调用到开发软件界面中。数据传输界面如图 9所示。

4.2.3 数据输出模块

数据输出模块主要包括检测结果输出、原始台账打印、检测报告单打印3部分。其中，检测结果输出的主要功能是将保存在Access数据库的检测结果以列表格式显示出来。其主要实现方法是：利用Excel模板生成报表，若有需修改的地方，就定义一个书签，然后，获得该字段数据对应的变量，再将该变量赋予所需的数值^[14]。部分代码如下：

Private Sub cmdPrint_Click()

   intPrint = MsgBox("Be sure to print this record?"，vbYesNo)

If intPrint = 6 Then

Set xlApp = CreateObject("Excel.Application")

Set xlBook = xlApp.Workbooks.Open(App.Path & "\temp.xls") ‘Excel文件格式导出’Set xlSheet = xlBook.Worksheets("Sheet1")

 xlSheet.Range("C3").Value = "test……"

 xlApp.Application.Visible = True

 xlSheet.PrintPrevie’预览打印

xlApp.DisplayAlerts=False’退出时不提示保存

5 数据库设计

原子吸收仪数据传输软件的数据接口采用应用程序接口函数和中间数据库两种模式。数据接口通过数据连接器(DECS，LEI，ESB）将数据采集传输系统的数据（表单）导入数据接口数据库（CS.mdf），数据接口的“定时代理”根据连接文档的设置，将这些数据导入数据传输系统^[15]。

数据接口数据库由两部分组成，即Access数据库数据表和SQLserver数据库数据表，其中，数据库与数据库之间存在数据表转换过程。数据接口主要完成两个任务：一是连接采集处理系统的数据库；二是回写数据传输系统的数据库。

数据接口数据库Access的数据表为“采样记录.mdb”，作为接收原子吸收仪采集处理的检测数据；数据库SQLserver的连接数据表为“接收记录.mdf”，作为传送给传输系统的数据接收表。数据接口流程如图 10所示。

6 效果分析

系统投入使用后，每天检测的试样量为120个左右。在每天检测任务量不变的情况下，系统未投入使用前，所需时间为8~9 h，如遇到加急样，所需时间会更长；在系统投入使用后，同样的任务量，只需要3~4 h即可完成。检测周期因试样实施分批检测，试样量明显增加，现有的检测手段缩短了检测周期，并提高了工作效率。自系统投入后，检测值由系统管理，经系统层层把关，数据差错率下降。检测周期缩短，检测任务量也逐渐增加，按每天增加10个试样量计算，年增加检测费12万元。同时由于实现了分批检测，检测数据经系统严格管理，杜绝了弄虚作假的现象。

7 结束语

系统通过几年的实践应用，缩短检测周期，降低数据差错率，提高了工作效率。目前，新钢技术改革项目不断升级上线，也引进了大量先进的分析检测设备，其数据传输原理基本与原子吸收仪数据传输功能一致。利用数据采集管理系统解决了目前新上的检测设备数据传输问题，基本实现数据自动采集传输功能，无需人工录入数据，降低人工成本，取得了较好的经济效益。